Klimatisierung von Schaltschränken

Im Bereich der industriellen Klimatisierung hat sich in den vergangenen Jahrzehnten einiges verändert. Je mehr elektronische Komponenten in den Schaltschränken von Maschinen und Anlagen ihren Dienst verrichten, desto mehr Wärme muss abgeführt werden. Früher war eine passive Kühlung der Schaltschrankkomponenten – also die Wärmeabfuhr über Lüftungsgitter, über die Oberfläche der Schaltschränke oder mittels thermischer Kopplung der Systeme – ausreichend. Für aktuelle Schaltschranksysteme hingegen müssen weit differenzierte und vor allem steuerbare Kühllösungen eingesetzt werden. Die aktive Klimatisierung durch Lüfter, Wärmetauscher oder Rückkühler hat passive Kühlmöglichkeiten weitestgehend verdrängt.

Die passive Regelung der Temperatur in einem Schaltschrank

Unter passiver Klimatisierung wird die natürliche Wärmeabfuhr aus einem Schaltschrank ohne Einsatz von Zusatzgeräten in Form von Klimaanlagen oder vergleichbaren Systemen verstanden. Abhängig von dem Grundaufbau der Schaltschränke wird die Wärmeabfuhr realisiert. Schaltschränke mit geschlossenem Gehäuse sind für den Luftaustausch mit Lüftungsschlitzen oder Lüftungsgittern versehen. Bei offenen Bauweisen findet zusätzlich noch eine Wärmeabfuhr durch Luftein- und Luftaustrittsöffnungen statt. Der hier für die Kühlung genutzte physikalische Effekt heißt „natürliche Konvektion“. Sobald eine Wärmequelle tiefer liegt als eine Wärmesenke, tritt eine Zirkulation von Gasen oder Flüssigkeiten ein. Das erwärmte Gas verfügt über eine geringere Dichte und erfährt deswegen im Gravitationsfeld einen statischen Auftrieb. Warme Luftmassen strömen hier in Richtung der kälteren Umgebungstemperatur der Umwelt – und ermöglicht so die passive Kühlung durch Öffnungen im Schaltschrankgehäuse. Allerdings bringt die Natur hier auch direkt eine Einschränkung mit – denn eine passive Klimatisierung funktioniert nur, wenn die Umgebungstemperatur der Umwelt niedriger ist als die im Schaltschrank gewünschte Innentemperatur. Wenn die passive Kühlung der Schaltschränke nicht ausreicht – wie es in industriellen Bereichen die Regel ist – muss die Wärme durch Zusatzgeräte aus dem Gehäuse herausgeführt werden.

Möglichkeiten der aktiven Kühlung von Schaltschränken und Schaltanlagen

Bei einer aktiven Kühlung wird die Wärmeabfuhr durch unterschiedliche Komponenten gesteuert. Damit die aktive Klimatisierung durch die Klimaanlage gelingt, muss die Art der Kühlung unbedingt auf die jeweiligen Gegebenheiten in und um den Schaltschrank herum optimiert werden. Zu den relevanten Basisdaten, die es vor der Auswahl der Klimatisierung mittels Klimaanlage zu ermitteln gilt, gehören:

• Umfang der benötigten Kühlleistung der Klimaanlagen
• Bedingungen am Aufstellort der Klimaanlagen und des Schaltschrankes
• Wird kontinuierliche Kühlleistung der Klimaanlagen verlangt?
• Gibt es Beschränkungen hinsichtlich Spannung, Lautstärke oder Platzbedarf der Klimaanlagen?

Hinsichtlich dieser Überlegungen werden die für den Einsatzzweck geeignetsten Kühleinrichtungen ausgewählt.

Schaltschranklüfter

Elektrisch betriebene Lüfter aus Kunststoff stellen die einfachste Lösung für die Kühlung von Schaltschränken dar. Die Lüfter ähneln denen, die man aus Computersystemen kennt. Für den Einsatz in Schaltschränken werden für eine zuverlässige Lüftung in der Regel Filterlüfter verwendet. Diese Lüfter verfügen über einen integrierten Filter, der ein Eindringen von Staubpartikeln zuverlässig vermindert. Filterlüfter können entweder luftansaugend oder blasend betrieben werden. Abhängig von der Arbeitsweise der Lüfter müssen diese montiert werden. Einblasende Filterlüfter werden im unteren Schaltschrankbereich montiert, der Austrittsfilter hingegen im oberen Bereich. Werden saugend arbeitende Lüfter für die Lüftung verwendet, findet die Montage andersherum statt. So wird eine optimale Abführung warmer Luftmassen erzielt. Lüfter sind günstig in der Anschaffung, wartungsfreundlich und können sowohl im Dauerbetrieb als auch geregelt bei Erreichen einer definierten Höchsttemperatur betrieben werden. Allerdings können Lüfter keine kalten Luftmassen erzeugen, sie sind mit ihrer Leistung auf die Temperatur der Umwelt beschränkt.

Schaltschrank-Kühlgeräte mit Kompressor unter Einsatz von Kältemittel

Diese Form der Kühlgeräte verfügt über einen geschlossenen Kältekreislauf. Ein Kompressor verdichtet und erwärmt ein gasförmiges Kältemittel. Das unter hohem Druck stehende Kältemittel wird in einem Verflüssiger abgekühlt und ändert seinen Aggregatzustand von gasförmig zu flüssig. Durch einen kontinuierlichen Druckaufbau seitens des Kompressors wird das flüssige Kältemittel in einen Verdampfer gepresst. Hierdurch wird Druck abgebaut, das Kältemittel wird wieder gasförmig und verdampft. Bei diesem Vorgang wird Kälte an die Umgebung abgegeben. Anschließend gelangt das abgekühlte, gasförmige Kältemittel wieder zurück in den Kompressor. Der Vorgang beginnt von neuem, der Kreislauf ist geschlossen. Kühlgeräte mit Kompressor sind in der Lage, die Innentemperatur des Schaltschrankes niedriger zu halten als die Umgebungstemperatur. Auch kann diese Art der aktiven Kühlung mit entsprechenden Filtern in verschmutzter oder ölhaltiger industrieller Umgebung eingesetzt werden.

Schaltschrank Rückkühler

Rückkühler, auch Chiller genannt, setzen eine Flüssigkeit als Wärmeträgermedium ein. Die Flüssigkeit nimmt Wärme direkt an dem Ort der Entstehung auf und wird dann durch ein Leitungssystem zum Rückkühler transportiert. Dort wird die Flüssigkeit heruntergekühlt, es wird also Wärme entzogen. Anschließend gelangt die Flüssigkeit wieder zurück in den Kreislauf. Je nach Anwendungsfall wird als Wärmeträgermedium Wasser oder Öl eingesetzt. Der große Vorteil von Rückkühlern: Der Ort der Wärmequelle und der Ort der Kälteerzeugung können voneinander getrennt sein. So können besonders kompakte Bauweisen realisiert werden – oder der Lärmpegel minimiert.

Schaltschrank Wärmetauscher

Wärmetauscher nutzen das Prinzip der indirekten Wärmeübertragung für eine effiziente Kühlung von Schaltschränken. Zwei voneinander getrennte Kreisläufe, der Innenkreislauf für die Schaltschrankinnenseite und der Außenkreislauf entsprechend für die Außenseite) werden durch eine wärmedurchlässige Barriere aneinander vorbei geleitet. Die Wärme wird zwischen beiden Kreisläufen so „getauscht“.

Bei einfachen Kühlanforderungen finden Luft/Luft Wärmetauscher breite Anwendung. Bei diesem System wird die erwärmte Luftmasse im inneren des Schaltschranks angesaugt und an einem Tauscher vorbeigeströmt. Im Außenkreislauf findet zu gleichen Zeit dasselbe Prinzip statt – nur mit der kälteren Umgebungsluft.

Bei Luft/Wasser Wärmetauschern wird auf einen Außenkreislauf verzichtet. Dieses System eignet sich daher insbesondere für den Einsatz in stark verschmutzen Umgebungen. Das Kühlmedium Wasser wird bei Luft/Wasser Wärmetauschern durch einen Rückkühler gekühlt oder in einen bestehenden Prozesswasserkreislauf integriert.

Thermoelektrische Kühlung im Schaltschrank

Die thermoelektrische Kühlung entspricht vom Prinzip her der Funktionsweise elektrischer Wärmepumpen. Die warme Luftmasse im Inneren des Schaltschranks wird mittels Lüfter auf einen Kältetauscher geblasen und während dieses Vorganges abgekühlt. Anschließend wird die Luftmasse an einen Wärmetauscher geleitet, der sich auf der Außenseite des Schaltschranks befindet. Dieser Wärmetauscher wird mit Umgebungsluft gekühlt. Der große Vorteil thermoelektrischer Kühlsysteme: Es werden keinerlei flüssige Medien eingesetzt, somit besteht auch keine Gefahr von Leckagen.

Schaltschrank Luftkühlung vs. Wasserkühlung: Die entscheidenden Unterschiede

Die Luft/Luft Wärmeübertragung wird immer dann eingesetzt, wenn die Schutzart des Schaltschranks eine geschlossene Ausführung notwendig macht. Luftkühlung funktioniert ausschließlich dann, wenn die Umgebungstemperatur niedriger liegt als die gewünschte Innentemperatur. Damit Luft/Luft Wärmeübertragung funktioniert, ist eine Temperaturdifferenz von mindestens 10 K empfehlenswert.

Wasserkühlung hingegen funktioniert auf dem Prinzip der Luft/Wasser Wärmeübertragung. Diese Systeme erreichen im Vergleich zur Luftkühlung höhere Kühlleistungen bei gleichzeitig geringerem Platzbedarf. Wasserkühlung wird immer dann verwendet, wenn die abzuführende Wärmeleistung sehr hoch ist oder wenn die Innentemperatur unter die Umgebungstemperatur abgesenkt werden soll.

Während Luftkühlung für die Klimatisierung von einem Schaltschrank geeignet ist, lassen sich mittels Wasserkühlung ganze Schaltschrankreihen kühlen.

Schaltschrankkühlung – Die richtige Berechnung

Für eine effiziente Schaltschrank-Klimatisierung muss eine passende Kühllösung für die hitzeempfindliche Elektronik in den Geräten von Beginn an exakt geplant und berechnet werden. Um eine dauerhafte Funktionalität elektronischer Bauteile zu gewährleisten, muss die im Schaltschrank generierte Wärme effizient abgeführt werden.

Für die richtige, also normgerechte Berechnung von Lösungen zur Schaltschrankkühlung müssen unterschiedlichste Variablen im Blick behalten werden. Das große Problem: Die für die Berechnung notwendigen Werte sind in vielen Fällen nicht in den Materialdatenbänken der Hersteller eingepflegt. Es ist daher in vielen Fällen ein händisches und somit zeitaufwändiges und teures Zusammentragen der Daten unumgänglich. Je mehr Komponenten unterschiedlicher Hersteller in einer Schaltanlage verbaut sind, umso komplexer wird die Berechnung. Folgende Parameter müssen Planer unter anderem in die Kalkulation der Geräte mit einbeziehen:

• Betriebsmittelbezogene Daten, beispielsweise Materialeigenschaften der verwendeten Komponenten
• Belastungen, die durch den Betrieb der Anlage entstehen
• Die eingesetzte Verdrahtung

Systematische Softwarelösungen unterstützen zuverlässig bei der Planung von Kühleinrichtungen von Schaltschränken. Vor allem wenn gemäß IEC61439 geforderte Dokumentationsnachweise erbracht werden müssen, stellen Softwarelösungen einen exakten und juristisch einwandfreien Weg dar.

Luftwasserkühler, Leistung 3kW, geschlossen

Luftwasserkühler, Leistung 3kW, offen

Dachkühlgerät, Leistung 1,4kW

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